CN208015588U - 智能功率模块及空调器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一智能功率模块及空调器，该智能功率模块包括逆变桥电路及驱动逆变桥电路工作的功率驱动电路，逆变桥电路包括至少一个HEMT管，智能功率模块还包括对应每一HEMT管设置的滤波电路；滤波电路的输入端与功率驱动电路对应的控制端连接，滤波电路的输出端与对应的HEMT管的栅极连接；其中，功率驱动电路，用于将接入的控制信号进行逻辑转换后输出与控制信号电压对应的逻辑输出信号；滤波电路，用于滤除功率驱动电路输出的逻辑输出信号中的电磁干扰信号以及高频噪音信号。本实用新型避免了上下桥臂HEMT管同时导通，导致该桥臂短路而烧毁智能功率模块的问题发生。

Description

智能功率模块及空调器

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别涉及一种智能功率模块及空调器。

背景技术

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品，一般应用于驱动风机、压缩机等设备的电控板上。

目前，HEMT具有很高的迁移率，因此开/关速度快，可以应用在变频器、逆变电源等需要频、高速的电子产品，由于HEMT极少应用在智能功率模块中，因此目前还没有相应的功率驱动电路对其进行驱动，在采用Si型IGBT的功率驱动电路来驱动HEMT时，功率驱动电路输出的驱动信号中，电磁干扰严重，可能引起HEMT误开通或者击穿栅氧层造成损坏。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种智能功率模块及空调器，旨在避免上下桥臂HEMT管同时导通，导致该桥臂短路而烧毁智能功率模块的问题发生。

为实现上述目的，本实用新型提出一种智能功率模块，所述智能功率模块包括逆变桥电路及驱动所述逆变桥电路工作的功率驱动电路，所述逆变桥电路包括至少一个HEMT管，所述智能功率模块还包括对应每一所述HEMT管设置的滤波电路；所述滤波电路的输入端与所述功率驱动电路对应的控制端连接，所述滤波电路的输出端与对应的所述HEMT管的栅极连接；其中，

所述功率驱动电路，用于将接入的控制信号进行逻辑转换后输出与所述控制信号电压对应的逻辑输出信号；

所述滤波电路，用于滤除所述功率驱动电路输出的逻辑输出信号中的电磁干扰信号以及高频噪音信号。

优选地，所述滤波电路包括第一电感，所述第一电感的第一端为所述滤波电路的输入端，所述第一电感的第二端为所述滤波电路的输出端。

优选地，所述第一电感为贴片电感。

优选地，所述滤波电路包括第一磁珠，所述第一磁珠的第一端为所述滤波电路的输入端，所述第一磁珠的第二端为所述滤波电路的输出端。

优选地，所述HEMT管为GaN型HEMT管。

优选地，所述逆变桥电路包括三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管，所述滤波电路的数量为六个，且六个所述滤波电路与所述三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管一一对应。

优选地，所述功率驱动电路的数量为六个，六个所述功率驱动电路与所述三相上桥臂HEMT管和所述三相下桥臂HEMT管一一对应。

优选地，六个所述功率驱动电路集成于一HVIC驱动芯片中。

优选地，所述智能功率模块还包括多个第一电容，多个所述第一电容与所述功率驱动电路的多个电源端一一对应连接。

本实用新型还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块；所述智能功率模块包括逆变桥电路及驱动所述逆变桥电路工作的功率驱动电路，所述逆变桥电路包括至少一个HEMT管，所述智能功率模块还包括对应每一所述HEMT管设置的滤波电路；所述滤波电路的输入端与所述功率驱动电路对应的控制端连接，所述滤波电路的输出端与对应的所述HEMT管的栅极连接；其中，所述功率驱动电路，用于将接入的控制信号进行逻辑转换后输出与所述控制信号电压对应的逻辑输出信号；所述滤波电路，用于滤除所述功率驱动电路输出的逻辑输出信号中的电磁干扰信号以及高频噪音信号。

本实用新型在智能功率模块中的逆变桥电路中的各桥臂功率开关管采用HEMT管来实现时，对应在各HEMT管的栅极均设置一滤波电路，使得滤波电路能够吸收输出至HEMT管栅极的逻辑输出信号中的电磁干扰及高频杂波，准确控制HEMT管栅极的上下沿速度，有利于提高HEMT管栅极的抗干扰能力，提升了智能功率模块的稳定性。本实用新型避免了上下桥臂HEMT管同时导通，导致该桥臂短路而烧毁智能功率模块的问题发生。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型智能功率模块一实施例的电路结构示意图；

图2为本实用新型智能功率模块另一实施例的电路结构示意图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种智能功率模块。

智能功率模块把功率开关器件和高压功率驱动电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。其中，多个功率开关器件一般为六个，组成功率逆变桥电路，并基于高压功率驱动电路如高压驱动芯片HVIC的控制，以驱动电机、压缩机等负载工作。智能功率模块一方面接收控制板上的主控制器MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将智能功率模块系统的状态检测信号送回主控制器MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种理想电力电子器件。

目前，智能功率模块中的功率器件大多采用Si基器件来实现，因为硅材料的限制，Si基功率器件大都只能在250℃以下工作；并且Si材料临界击穿电场在250000V/cm左右，耐压能力有限。此外，Si基功率器件高频性能不好；应用最多的Si基IGBT具有很明显的拖尾电流，而且很难降低或消除，这使得Si基IGBT具有较大的关断损耗。随着电力电子技术应用范围的不断扩大，日益严苛的应用场合和人们对电力空调器要求的不断提高，具有高压、高温、低损耗的碳化硅SiC、氮化镓GaN等宽禁带半导体功率器件逐渐替代了传统的Si基功率器件。

本实用新型智能功率模块中的功率器件优选采用HEMT来实现，例如GaN型HEMT管。HEMT具有很高的迁移率，因此开/关速度快，可以应用在变频器、逆变电源等需要频、高速的电子产品中；同时HEMT的二维电子气特性，不需要并联FRD(Fast Recovery Diode，快速恢复二极管)。

但是，由于HEMT极少应用在智能功率模块中，因此目前还没有相应的功率驱动电路对其进行驱动，在采用Si型IGBT的功率驱动电路来驱动HEMT时，两者不兼容，无法正常工作；并且功率驱动电路输出的驱动信号中，电磁干扰严重，可能引起HEMT误开通或者击穿栅氧层造成损坏。

为了解决上述问题，参照图1或图2，在本实用新型一实施例中，在本实用新型一实施例中，该智能功率模块包括逆变桥电路20及驱动所述逆变桥电路20工作的功率驱动电路10，所述逆变桥电路20包括至少一个HEMT管，所述智能功率模块还包括对应每一所述HEMT管设置的滤波电路30；所述滤波电路30的输入端与所述功率驱动电路10对应的控制端连接，所述滤波电路30的输出端与对应的所述HEMT管的栅极连接；其中，

所述功率驱动电路10，用于将接入的控制信号进行逻辑转换后输出与所述控制信号电压对应的逻辑输出信号；

所述滤波电路30，用于滤除所述功率驱动电路10输出的逻辑输出信号中的电磁干扰信号以及高频噪音信号。

本实施例中，逆变桥电路20包括由三相上桥臂功率开关管和三相下桥臂功率开关管组成的功率逆变桥电路20。其中，三相上桥臂功率开关管和三相下桥臂功率开关管可以全部或者部分采用HEMT管来实现，本实施例三相上桥臂功率开关管和三相下桥臂功率开关管中六个功率开关管优选为均采用HEMT管来实现，且分别记为U相上桥臂HEMT管201、V相上桥臂HEMT管202、W相上桥臂HEMT管203，U相下桥臂HEMT管204、V相下桥臂HEMT管205、W相下桥臂HEMT管206。

高压侧功率驱动电路10包括三相高压侧驱动单元，每一相高压侧驱动单元的输出端均经高压侧信号输出端与对应的一个上桥臂HEMT管连接。低压侧功率驱动电路10包括三相低压侧驱动单元，每一相低压侧驱动单元的输出端均经高压侧信号输出端与对应的一个下桥臂HEMT管连接。

本实施例中，功率驱动电路10优选采用高压集成芯片HVIC，即HVIC驱动芯片来实现，功率驱动电路10一般具有高压侧功率驱动电路10和低压侧功率驱动电路10，在实际应用时，高压侧功率驱动电路10的三相高压侧驱动单元集成在高压集成芯片HVIC中，低压侧功率驱动电路10的三相低压侧功率驱动电路10集成在低压集成芯片LVIC中，或者三相高压侧驱动单元中的每一相高压侧驱动单元对应与三相低压侧驱动单元中的一相高压侧驱动单元集成在一HVIC中，例如U相高压侧驱动单元与U相高压侧驱动单元集成在一HVIC，或者功率驱动电路10的数量可以设置为独立的六个，且分别记为UH驱动电路101、VH驱动电路102、WH驱动电路103、UL驱动电路104、VL驱动电路105、WL驱动电路106。六个所述功率驱动电路10分别与所述三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管对应一一，或者将六个功率驱动电路10集成于一HVIC管中。具体设置方式可根据智能功率模块的内部结构方式不同而不同，此处不做限制。

HVIC的COM端为智能功率模块的低压区供电电源负端VSS端。

参照图1或图2，智能功率模块中还集成多个第一电容，多个第一电容为自举电容，且分别记为电容C1、C、C3。多个第一电容用于对电源端的电源进行储能及滤波。

其中，HVIC的VB1端连接电容C1的一端，并为智能功率模块的U相高压区供电电源正端VB1；HVIC的HO1端与U相上桥臂HEMT管的栅极相连；HVIC的VS1端与U相上桥臂HEMT管的源极、电容C1的另一端相连，并为智能功率模块的U相高压区供电电源负端VS1；

HVIC的VB2端连接电容C2的一端，为智能功率模块的V相高压区供电电源正端VB2；HVIC的HO2端与V相上桥臂HEMT管的栅极相连；HVIC的VS2端与、V相下桥臂HEMT管的漏极、电容C2的另一端相连，并为智能功率模块的V相高压区供电电源负端VS2；

HVIC的VB3端连接电容23的一端，为智能功率模块的W相高压区供电电源正端VB3；HVIC的HO3端与W相上桥臂HEMT管的栅极相连；HVIC的VS3端与W相上桥臂HEMT管的源极、W相下桥臂HEMT管的漏极、电容23的另一端相连，并为所述智能功率模块的W相高压区供电电源负端VS3；

HVIC的各管脚说明如下：

三相HVIC的低压侧供电电源正端VCC1为智能功率模块的电源正端VCC1，VDD一般为15V，HVIC的供电电源负端为智能功率模块的VSS；VCC-VSS电压一般为15V；VB1和VS1分别为U相高压区的电源的正极和负极，HO1为U相高压区的输出端；VB2和VS2分别为V相高压区的电源的正极和负极，HO2为V相高压区的输出端；VB3和VS3分别为U相高压区的电源的正极和负极，HO3为W相高压区的输出端；LO1、LO2、LO3分别为U相、V相、W相低压区的输出端。

可以理解的是，由于HEMT极少应用在智能功率模块中，因此目前还没有相应的功率驱动电路对其进行驱动，在采用Si型IGBT的功率驱动电路来驱动HEMT时，Si型IGBT的功率驱动电路的输出电压为5V，也即功率驱动电路10的作用在于：将高压侧输入端HIN1、HIN2、HIN3的0或5V的逻辑输入信号分别传到高压侧输出端HO1、HO2、HO3，低压侧输入端LIN1、LIN2、LIN3的信号分别传到低压侧输出端LO1、LO2、LO3，其中HO1是VS1或VS1+5V的逻辑输出信号、HO2是VS2或VS2+5V的逻辑输出信号、HO3是VS3或VS3+5V的逻辑输出信号，LO1、LO2、LO3是0或5V的逻辑输出信号。从而解决在采用Si型IGBT的功率驱动电路来驱动HEMT时，Si型IGBT的功率驱动电路与HEMT管不兼容的问题。

需要说明的是，功率驱动电路10在输出逻辑输出信号至HEMT管的栅极时，逻辑输出信号中的电磁干扰严重，可能引起HEMT管误开通或者击穿栅氧层造成损坏。在HEMT管组成的逆变桥电路20中，例如在功率驱动电路10驱动的同一桥臂的上桥臂HEMT管导通，下桥臂HEMT管截止时，由于功率驱动电路10与下桥臂HEMT管的栅极直接相连的，下桥臂HEMT管容易受到功率驱动电路10输出的逻辑输出信号中电磁干扰的影响，并在该电磁干扰超过下桥臂HEMT管的导通阈值时，将造成下桥臂HEMT管的误导通。此时上桥臂HEMT管是导通的，而当上下桥臂HEMT管同时导通时，将导致该桥臂短路而烧毁智能功率模块。为了避免上述问题发生，本实施例中的滤波电路30对功率驱动电路10输出逻辑输出信号中的电磁干扰及高频杂波进行滤除。

具体地，当高压侧信号输入端HIN输入的信号为低电平信号，低压侧信号输入端LIN输入的信号为高电平信号时，高压侧信号输出端HO输出的信号为低电平信号，低压侧输出端LO输出的信号为高电平信号，功率逆变桥电路20中的上桥臂HEMT管关断，下桥臂HEMT管开通。这个过程中，当功率驱动电路10输出高电平信号驱动下桥臂HEMT管开通时，与下桥臂HEMT管对应设置的滤波电路30对低压侧输出端LO输出的高电平信号中的电磁干扰及高频杂波进行滤除，同时上桥臂HEMT管的滤波电路30也对功率驱动电路10输出至上桥臂HEMT管的电磁干扰信号进行滤除，从而避免在下桥臂HEMT管导通时，上桥臂HEMT管误触发而导通。

当高压侧信号输入端HIN输入的信号为高电平信号，低压侧信号输入端LIN输入的信号为低电平信号时，高压侧信号输出端输出的信号为高电平信号，低压侧输出端输出的信号为低电平信号，功率逆变桥电路20中的上桥臂HEMT管开通，下桥臂HEMT管关断。这个过程中，当功率驱动电路10输出高电平信号驱动上桥臂HEMT管开通时，与上桥臂HEMT管对应设置的滤波电路30对低压侧输出端LO输出的高电平信号中的电磁干扰及高频杂波进行滤除，同时下桥臂HEMT管的滤波电路30也对功率驱动电路10输出至下桥臂HEMT管的电磁干扰信号进行滤除，从而避免在上桥臂HEMT管导通时，下桥臂HEMT管误触发而导通。

本实用新型在智能功率模块中的逆变桥电路20中的各桥臂功率开关管采用HEMT管来实现时，对应在各HEMT管的栅极均设置一滤波电路30，使得滤波电路30能够吸收输出至HEMT管栅极的逻辑输出信号中的电磁干扰及高频杂波，准确控制HEMT管栅极的上下沿速度，有利于提高HEMT管栅极的抗干扰能力，提升了智能功率模块的稳定性。本实用新型避免了上下桥臂HEMT管同时导通，导致该桥臂短路而烧毁智能功率模块的问题发生。

参照图1或图2，进一步地，上述实施例中，所述逆变桥电路20包括三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管，所述滤波电路30的数量为六个，且六个所述滤波电路3与所述三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管一一对应。

本实施例中，三相逆变桥电路20中，HEMT管设置的数量一般为六个，单相逆变桥电路20中，HEMT管的数量一般为两个，当然在其他逆变桥电路20中，HEMT管设置的数量还可以设置为四个，此处不做限制，本实施例以HEMT管设置的数量一般为六个进行说明。对应六个HEMT管，滤波电路30的数量为六个，即在滤波电路30采用电感或者磁珠来实现，电感或者磁珠分别对应与六个HEMT管的栅极连接。各滤波电路30分别在对应的HEMT管导通时，对功率驱动电路10输出逻辑输出信号中的电磁干扰及高频杂波进行滤除。

进一步地，上述实施例中，所述滤波电路30可以采用第一电感来实现，也可以采用第一磁珠来实现。参照图1，当滤波电路30采用第一电感来实现时，该第一电感的第一端为所述滤波电路30的输入端，所述第一电感的第二端为所述滤波电路30的输出端。本实施例中，对应逆变桥电路20中三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管，第一电感的数量为六个，且对应三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管分别记为311、312、313、314、315、316。可以理解的是，上述实施例中，所述第一电感优选还可以采用贴片电感来实现。

参照图2，进一步地，上述实施例中，所述滤波电路30在采用第一磁珠来实现时，该第一磁珠的第一端为所述滤波电路30的输入端，所述第一磁珠的第二端为所述滤波电路30的输出端。本实施例中，对应逆变桥电路20中三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管，第一磁珠的数量为六个，且对应三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管分别记为321、322、32、324、325、326。

本实用新型还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块。该智能功率模块的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本实用新型空调器中使用了上述智能功率模块，因此，本实用新型空调器的实施例包括上述智能功率模块全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

本实施例中，可以理解的是，智能功率模块还可以应用到逆变电源、变频器、制冷设备、冶金机械设备、电力牵引设备等设备中。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能功率模块，所述智能功率模块包括逆变桥电路及驱动所述逆变桥电路工作的功率驱动电路，其特征在于，所述逆变桥电路包括至少一个HEMT管，所述智能功率模块还包括对应每一所述HEMT管设置的滤波电路；所述滤波电路的输入端与所述功率驱动电路对应的控制端连接，所述滤波电路的输出端与对应的所述HEMT管的栅极连接；其中，

所述功率驱动电路，用于将接入的控制信号进行逻辑转换后输出与所述控制信号电压对应的逻辑输出信号；

所述滤波电路，用于滤除所述功率驱动电路输出的逻辑输出信号中的电磁干扰信号以及高频噪音信号。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述滤波电路包括第一电感，所述第一电感的第一端为所述滤波电路的输入端，所述第一电感的第二端为所述滤波电路的输出端。

3.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述第一电感为贴片电感。

4.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述滤波电路包括第一磁珠，所述第一磁珠的第一端为所述滤波电路的输入端，所述第一磁珠的第二端为所述滤波电路的输出端。

5.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述HEMT管为GaN型HEMT管。

6.如权利要求1至5任意一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述逆变桥电路包括三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管，所述滤波电路的数量为六个，且六个所述滤波电路与所述三相上桥臂HEMT管和三相下桥臂HEMT管一一对应。

7.如权利要求6所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率驱动电路的数量为六个，六个所述功率驱动电路与所述三相上桥臂HEMT管和所述三相下桥臂HEMT管一一对应。

8.如权利要求7所述的智能功率模块，其特征在于，六个所述功率驱动电路集成于一HVIC驱动芯片中。

9.如权利要求1至5任意一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括多个第一电容，多个所述第一电容与所述功率驱动电路的多个电源端一一对应连接。

10.一种空调器，其特征在于，所述空调器包括如权利要求1至9任意一项所述的智能功率模块。